SEARCH

SEARCH BY CITATION

Keywords:

  • scaling;
  • crystallization fouling;
  • gypsum;
  • delay times;
  • initial fouling rates

Abstract

Supersaturated aqueous solutions of calcium sulphate, an inverse solubility salt, were circulated through a 9 mm i.d. stainless steel tube in which they were subjected to a constant and uniform heat flux at Reynolds numbers ranging from 2100 to 36 000. Precipitation fouling of the tube surface, which was monitored and measured thermally, resulted in calcium sulphate dihydrate (gypsum) scales. Measured delay times decreased with increasing bulk solute concentration, Cb, in accord with classical nucleation kinetics, decreased with increasing surface temperature Ts, its reciprocal correlating with Ts in the Arrhenius manner, and decreased with increasing fluid velocity V up to V ≈ 0.5 m/s before flattening out. Initial linear fouling rates,Rfo, at Cb = 3400 ppm, also yielded Arrhenius plots, with fouling activation energies increasing almost eight-fold over the 0.1–1.6 m/s velocity range. This result implies a shift in the mechanism of fouling rate control with increasing velocity from mass transfer, which is weakly temperature dependent, to surface integration, which is strongly temperature dependent. The “Initial Fouling Rate Model,” which simulates this mechanistic shift with a unique dependence of the surface-integration step on the residence time of the fluid at the tube wall, was used to represent, by least-squares fitting, 84 fouling rate data points at different values of V and Ts, with three adjustable parameters. Observed trends of Rfo with V and clean wall Ts were qualitatively captured by the model, but quantitative agreement was imperfect. Substantial quantitative improvement was effected by introducing into the model an additional temperature dependence of the surface-integration term—resulting in one additional adjustable parameter—rationalized as a method of accounting for the previously neglected temperature-dependent nucleation that accompanies crystal growth. The fouling investigation was supplemented by an experimental study of crystal growth kinetics.

On a fait circuler des solutions aqueuses sursaturées de sulfate de calcium, un sel de solubilité inverse, dans un tube en acier inoxydable de 9 mm de diamètre intérieur, dans des conditions de flux de chaleur constant et uniforme à des nombres de Reynolds compris entre 2100 et 36000. L'encrassement par précipitation à la surface du tube, qui a été observé et mesuré thermiquement, a généré des tartres de dihydrate de sulfate de calcium (gypse). Les retards à l'encrassement mesurés diminuent avec l'augmentation de la concentration de soluté brut, Cb, en accord avec la cinétique de nucléation classique, diminuent avec l'augmentation de la température de surface Ts, sa réciproque corrélant avec Ts selon une loi de type Arrhenius, et diminuent avec l'augmentation de la vitesse de fluide V jusqu'à V ≈ 0.5 m/s avant de s'aplatir. Les vitesses d'encrassement initiales, Rfo, à Cb = 3400 ppm, donnent également des courbes de type Arrhenius, les énergies d'activation par encrassement augmentant de presque dix fois sur la gamme des vitesses 0.1−1.6 m/s, ce qui implique un changement dans le mécanisme de contrôle de la vitesse d'encrassement avec l'augmentation de la vitesse à partir du transfert de matière, qui est légèrement dépendant de la température, jusqu'à l'intégration à la surface, qui est fortement dépendante de la température. On a employé le “modèle de vitesse d'encrassement initiale”, qui simule ce changement de mécanisme avec une seule dépendance de l'étape d'intégration à la surface sur le temps de séjour du fluide à la paroi du tube, afin de représenter, par un calage aux moindres carrés, 84 points de données de vitesse d'encrassement à différentes valeurs de V et de Ts, avec trois paramètres ajustables. Les tendances observées de Rfo avec V et Ts pour une paroi propre ont été capturées qualitativement par le modèle, mais l'accord quantitatif était imparfait. On a amélioré le modèle quantitatif de manière significative en introduisant une dépendance additionnelle en température dans l'étape d'intégration à la surface − ce qui implique un paramètre ajustable supplémentaire − dans le but de tenir compte de la nucléation thermodépendante lors de la croissance des cristaux qui avait été négligée. On a réalisé une étude sur l'encrassement additionnelle portant sur la cinétique de croissance des cristaux.